新型多連桿足式橢圓儀健身代步車的研究

王友朋

（北京市潞河中學(xué),北京,101100)

新型多連桿足式橢圓儀健身代步車的研究

王友朋

（北京市潞河中學(xué),北京,101100)

本文中的“多連桿足式橢圓儀健身代步車”，基于橢圓儀物理模型的設(shè)計(jì)思想，通過將仿生機(jī)械腿創(chuàng)新設(shè)計(jì)替代傳統(tǒng)的行走方式，實(shí)現(xiàn)休閑健身和行走代步相結(jié)合以及代步應(yīng)用行走方式的創(chuàng)新，增強(qiáng)健身安全性的同時(shí)提高娛樂性。本文注重“橢圓機(jī)構(gòu)與運(yùn)動(dòng)磨損”的數(shù)據(jù)理論分析，以及針對不同的使用人群，如何采用合適的尺寸數(shù)據(jù)來保證器材的穩(wěn)定性。研究過程中使用了Solidworks建模軟件完成整機(jī)方案建模，引入了人因工程學(xué)的概念，采用動(dòng)態(tài)物理分析等研究方法。

橢圓儀；機(jī)械腿；人因工程學(xué)；健身器；動(dòng)態(tài)分析

0 引言

在研究“橢圓機(jī)”領(lǐng)域的論文中，機(jī)械結(jié)構(gòu)少有創(chuàng)新，多為在原有基礎(chǔ)上加以細(xì)節(jié)的改進(jìn)，市場上所銷售的橢圓機(jī)類型也相對單一，少有整體運(yùn)動(dòng)模式的突破，同時(shí)領(lǐng)域內(nèi)權(quán)威創(chuàng)新性論文并非很多，本文作者將“橢圓儀”“機(jī)械腿結(jié)構(gòu)”“健身器”有機(jī)結(jié)合起來。

1 橢圓機(jī)的定義及基本原理

當(dāng)人體慢走、快走或跑步時(shí)，腳踝的運(yùn)動(dòng)軌跡近似于橢圓，而橢圓儀（又稱橢圓機(jī)）則是應(yīng)用這樣的原理，通過一定的連桿結(jié)構(gòu)，在外力的驅(qū)動(dòng)下，踏板可以以一個(gè)完整的橢圓軌跡進(jìn)行運(yùn)動(dòng)。同時(shí)，當(dāng)橢圓儀整體開始運(yùn)動(dòng)后，踏板所形成的橢圓軌跡會(huì)來引導(dǎo)使用者腳步進(jìn)行近似橢圓運(yùn)動(dòng)，這便使機(jī)器的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，與人的自然跨步相互吻合，從而讓人體以最舒適的方式進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，消耗能量，達(dá)到減肥健身的目的。利用這樣的原理制作的幾何機(jī)械便可以稱為橢圓機(jī)。

在橢圓儀與人體運(yùn)動(dòng)步態(tài)軌跡高度擬合的基礎(chǔ)上，本研究中兩個(gè)重點(diǎn)研究機(jī)構(gòu)“橢圓機(jī)”、“足式結(jié)構(gòu)”對適用人體進(jìn)行健身過程中的安全性、穩(wěn)定性、舒適性、娛樂性起到了關(guān)鍵性的作用。

2 適用人群與針對性調(diào)整結(jié)構(gòu)

該健身對以下三類人群可以起到最佳的運(yùn)動(dòng)健身效果。

(1)嬰幼兒、學(xué)齡前學(xué)步使用；

(2)中老年運(yùn)動(dòng)健身、腿部術(shù)后康復(fù)；

(3)希望減緩生活的快節(jié)奏，讓自身得到釋放，同時(shí)希望以一種新穎的方式來健身運(yùn)動(dòng)的年輕人。

在適應(yīng)以上三種適用人群的設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上，考慮到了個(gè)體的差異性，因此在設(shè)計(jì)時(shí)考慮到了可調(diào)節(jié)性的部件結(jié)構(gòu)，具體體現(xiàn)在了中杠桿踏板滑軌鎖死設(shè)計(jì)、雙模式把手的鎖死固定等方面。

本研究的健身器因?yàn)橛兄岣哌\(yùn)動(dòng)高效性、便捷性以及增強(qiáng)健身趣味性、藝術(shù)觀賞性的設(shè)計(jì)理念以及希望在更多環(huán)境下得到實(shí)際應(yīng)用的想法，所以在設(shè)計(jì)中將多功能操作模式加入進(jìn)來。

3 多功能操作特征

3.1 立地式和運(yùn)動(dòng)式

傳統(tǒng)橢圓儀健身器極大多數(shù)為立地式的運(yùn)動(dòng)模式，使用者只能通過踩踏踏板同時(shí)雙手搖動(dòng)把手，來進(jìn)行協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)，從而達(dá)到健身的目的。但是這種方式只能固定不動(dòng)地重復(fù)循環(huán)，容易感到枯燥無味，降低運(yùn)動(dòng)效率。因此本健身器在這方面采用到的多功能設(shè)計(jì)可以擁有兩種健身模式，一種是類似于傳統(tǒng)的立地式，另外一種是運(yùn)動(dòng)式。

3.2 傳統(tǒng)搖擺式與轉(zhuǎn)向式

這兩種模式表現(xiàn)在把手與機(jī)體的配合上，傳統(tǒng)搖擺模式是在配合立地式運(yùn)動(dòng)模式使用的，保留了傳統(tǒng)橢圓機(jī)的健身模式，手部搖擺的健身方式有利于調(diào)動(dòng)全身肌肉一起運(yùn)動(dòng)，提高運(yùn)動(dòng)效率。增強(qiáng)的本設(shè)計(jì)的應(yīng)用面，使普適性更強(qiáng)。為了針對不同年齡、不同生理?xiàng)l件的適用人群，能夠科學(xué)、舒適地使用本健身器，同時(shí)也考慮到整體的重心平衡調(diào)節(jié)，所以作者在設(shè)計(jì)腳踏板時(shí)采用了可調(diào)節(jié)踩踏板的設(shè)計(jì)方式。

4 數(shù)據(jù)采集

多連桿足式橢圓儀健身代步車（如圖1(a）(b)所示)的桿件數(shù)據(jù)主要以傳統(tǒng)立地式的橢圓機(jī)構(gòu)健身器為模板，進(jìn)行等比例縮放和適當(dāng)調(diào)整來配合本設(shè)計(jì)的功能和正常使用。數(shù)據(jù)采集過程中，選擇多個(gè)實(shí)物進(jìn)行多次測量，取得大體相似但細(xì)節(jié)上稍有改動(dòng)的不同款式橢圓機(jī)尺寸，在取得相近款式橢圓儀健身器的平均尺寸后即獲得原始尺寸，經(jīng)過適度修改與調(diào)整后，在保證運(yùn)動(dòng)規(guī)律依然符合人因工程學(xué)的基礎(chǔ)上獲得本設(shè)計(jì)中主要桿件的具體尺寸。

圖1 多連桿足式橢圓儀健身代步車

5 設(shè)計(jì)特點(diǎn)及其實(shí)用意義

橢圓儀結(jié)構(gòu)與機(jī)械腿結(jié)合的實(shí)際意義。

(1)橢圓機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)與多組機(jī)械腿的運(yùn)動(dòng)都具有節(jié)奏性、規(guī)律性以及運(yùn)動(dòng)的和諧性，兩者相互結(jié)合有利于突出健身器的工業(yè)藝術(shù)性，并對人因工程學(xué)當(dāng)中的機(jī)械對人的心理影響有著一定的作用。

(2)結(jié)合兩種機(jī)械結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)特征，橢圓機(jī)構(gòu)可以有效地保護(hù)人體在運(yùn)動(dòng)過程中的健康，同時(shí)減少可能發(fā)生的運(yùn)動(dòng)損傷損傷；機(jī)械腿可以有效限制運(yùn)動(dòng)的最高速度，同時(shí)使運(yùn)動(dòng)具有節(jié)奏性，應(yīng)用在健身方面上具有一定的創(chuàng)新意義，兩者相互結(jié)合相互補(bǔ)充，而并非機(jī)械地結(jié)合在一起，雙方的特點(diǎn)都有利于提高本健身器在市場當(dāng)中的競爭優(yōu)勢。

(3)兩者均屬于幾何機(jī)械結(jié)構(gòu)，相互結(jié)合有利于批量生產(chǎn)、問題檢修以及后期的維護(hù)操作。

本器材的使用活動(dòng)范圍較傳統(tǒng)的立地式橢圓機(jī)而言廣泛很多，傳統(tǒng)立地式橢圓機(jī)只能固定在小區(qū)娛樂場、健身房或者若家庭有條件的話購置的家用橢圓機(jī)，這些都是無法進(jìn)行移動(dòng)的，導(dǎo)致運(yùn)動(dòng)場所一成不變，容易造成運(yùn)動(dòng)枯燥，降低娛樂性和健身效果。本研究中的健身器由于它的體積相對而言有所縮小，具有可活動(dòng)性的特點(diǎn)，所以既可以在家中固定運(yùn)動(dòng)，也可以在室外進(jìn)行代步、健身活動(dòng)，甚至若家中活動(dòng)范圍允許可以再家中進(jìn)行一定范圍內(nèi)的活動(dòng)，，可移動(dòng)和便捷性的使用特點(diǎn)也提高了產(chǎn)品的可遷移性，這樣在搬家等需要遠(yuǎn)距離轉(zhuǎn)移機(jī)體的活動(dòng)就會(huì)方便很多。

6 總結(jié)

本研究是以多連桿橢圓儀足式健身代步車為研究對象進(jìn)行系統(tǒng)化地前期分析，中期對比、學(xué)習(xí)、修改，后期整合、完善、結(jié)題的完整性研究。所研究設(shè)計(jì)并進(jìn)行模擬分析的健身代步車，以橢圓儀結(jié)構(gòu)、多連桿多組足式機(jī)械腿結(jié)構(gòu)、車架設(shè)計(jì)作為重點(diǎn)研究結(jié)構(gòu)，在運(yùn)動(dòng)整體結(jié)構(gòu)上有所創(chuàng)新，在運(yùn)動(dòng)過程中具有運(yùn)動(dòng)高效性、安全性、配合流暢性的特點(diǎn)，在整體結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)上有著便捷性、穩(wěn)定性、靈活性。完成了將傳統(tǒng)立地式橢圓機(jī)走出固定場所的預(yù)期目標(biāo)，并且新型健身器能夠極大地增強(qiáng)健身運(yùn)動(dòng)的娛樂性，提高運(yùn)動(dòng)者的健身熱情，從而提升運(yùn)動(dòng)效率，對于幼兒、老人、患者初愈等相關(guān)人群也有著一定的輔助和康復(fù)作用，達(dá)到了設(shè)計(jì)目標(biāo)。

[1]龍志健.多功能互動(dòng)健身車的創(chuàng)新機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)及有限元優(yōu)化分析[D].黑龍江，哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2009.

2]厲丹彤,馮小保，問朋朋，黃明宇，倪紅軍.健身車研究現(xiàn)狀[J].中國運(yùn)動(dòng)醫(yī)學(xué)雜志，2014(01).

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New type multi-link foot elliptical instrument fitness walking vehicle research

Wang Youpeng
(Beijing luhe middle school,Beijing,101100)

This paper of the multi-link foot type ellipse instrument fitness walking car ", based on the elliptical machine the design thought of the physical model by using a bionic mechanical innovation design alternatives to traditional way of walking legs, combination of leisure fitness walking and walking and walking walking style of innovation, enhance health security at the same time improve the entertaining. This paper pays attention to "oval institutions and sports wear and tear" theory of data analysis, and the use of different people, how to adopt the suitable size data to ensure the stability of the equipment. Solidworks modeling software is used in the research process to complete the whole project modeling, introduces the concept of human factors engineering, using the methods of dynamic physical analysis.

the elliptical instrument; Mechanical legs; Human factors engineering. Machines; A dynamic analysis